CC BY
113
Литература
1. Korner O. Crop based climate regimes for energy saving in greenhouse cultivation: Ph. D. Diss. - Wagenin-gen University, The Netherlands, 2003. - 240 p.
2. Rijsdijk A.A., Vogelezang J.V.M. Temperature integration on a 24-hour base: a more efficient climate control
strategy // Acta Hortic. - 2000. - Vol. 519. - P. 163-170.
3. Korner O., Bakker M.J., Heuvelink E. Daily temperature integration: a simulation study to quantify energy
consumption // Biosystems Engineering. - 2004. - Vol. 87. - № 3. - P. 333-343.
4. Korner O., Challa H. Temperature integration and process-based humidity control in chrysanthemum // Com-
puters and Electronics in Agriculture. - 2004. - Vol. 43. - № 1. - P. 1-21.
5. Korner O., Challa H. Design for an improved temperature integration concept in greenhouse cultivation //
Computers and Electronics in Agriculture. - 2003. - Vol. 39. - № 1. - P. 39-59.
6. Попова С.А. Энергосберегающая система автоматического управления температурным режимом в
теплице: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.07. - Челябинск, 1995. - 204 с.
7. СНиП 23-01-99. Строительная климатология.
8. Брызгалов В.А. Справочник по овощеводству. - Л.: Колос, 1982. - 509 c.
9. Теплицы и тепличные хозяйства: справ. / под ред. Г.Г. Шишко. - Киев: Урожай, 1993. - 422 с.
---------♦-------------
УДК 631.23(571.5) В.В. Арюпин, В.С. Нестяк
МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕПЛИЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ УСЛОВИЙ СИБИРИ
В статье рассматриваются задачи по обоснованию технологических решений конструкции теплиц, а также их оборудования, с целью снижения затрат на строительство и уменьшение теплопотерь. Работа представляет интерес для проектировщиков тепличных комплексов, а также для производственников, так как предложенные решения уже апробированы на базе тепличного комплекса ЗАО «Приобское» Новосибирской области.
Ключевые слова: тепличный комплекс, сотовый поликарбонат, боковые фрамуги, ангарная теплица.
V.V. Aryupin, V.S. Nestyak METHODOLOGY OF DEVELOPMENT OF ENERGY AND RESOURCE- SAVING HOTHOUSE COMPLEXES FOR THE SIBERIA CONDITIONS
Problems of substantiation of the technological solutions for hothouses and its equipment design, in order to abate the expenses for building and reduce heat loss are considered in the article. The article is of interest for the hothouse complex designers, and also for the production workers as the offered solutions have already been approved on the basis of the PJSC "Priobskoye" hothouse complex in the Novosibirsk region.
Key words: hothouse complex, cellular polycarbonate, lateral transoms, hangar hothouse.
В настоящий период многие сибирские города и населенные пункты остались без собственного производства свежих овощей во внесезонное время. Из-за проблем в энергоснабжении в конце прошлого века прекратили существование многие агрофирмы и тепличные комбинаты, а также небольшие комбинаты при крупных заводах, обеспечивавшие население витаминной продукцией местного производства.
В сложившейся в последние десятилетия ситуации новое строительство зимних тепличных комбинатов по традиционной схеме (на 1 га теплиц без учета соединительных коридоров требуется 210 т металла; 145 м3 бетона и железобетона; 15 м3 древесины; 13800 м2 стекла) в Сибири в обозримом будущем из-за огромной стоимости работ практически неподъемно. Здесь следует отметить, что традиционная схема теплич-
ного комбината предусматривает наличие собственной мощной котельной независимо от размеров комбината и возможностей ее строительства, причем без ее запуска невозможна работа не только готовых к работе теплиц, но и самостоятельных блоков, составляющих основную структуру комбината. Свой отпечаток на все это накладывают и имеющиеся особенности тепличного производства:
1. Тепличное овощеводство относится к высокоинтенсивной отрасли растениеводства. Достаточно отметить, что урожайность в теплицах достигает 60-110 кг/м2 (6000-11000 ц/га). При этом большие объёмы сельскохозяйственного производства требуют значительных затрат энергии как в непосредственном виде (топливо, электроэнергия), так и в преобразованном (машины, материалы).
2. Производство овощей во внесезонное время связано не только с устройством и обогревом теплиц, оснащением их различным оборудованием для полива, вентиляции и т.д., но и с значительным ресурсопотреблением, что обусловлено спецификой технологий выращивания овощных культур, основанных в большинстве своем на выращивании продукции на специально подготовленных почвосмесях (субстратах) с постоянными подкормками растворами удобрений.
3. В последние годы произошли большие изменения в структуре затрат на содержание теплиц. Затраты на обогрев зимних теплиц в 1970-1990 годы составляли 30-40% всех эксплуатационных расходов на выращивание овощей. Резкое удорожание тепловой энергии в последующие годы привело к увеличению затрат на обогрев относительно всех эксплуатационных расходов до 70-80%.
Кроме того, устойчивая тенденция роста цен на традиционные виды топлива, увеличение тарифов на перевозки и материалы предопределяют дальнейшее обострение проблемы роста цен как на строительство новых тепличных комбинатов, так и на их энергетику (особенно огромны затраты энергии на обогрев теплиц).
Без учета этих изменений и особенностей тепличного производства, их взаимосвязи как друг с другом, так и с привязкой к технико-технологическим и решениям самих конструкций теплиц, решить проблему быстрого восстановления тепличного овощеводства Сибири в условиях ограниченных финансовых ресурсов невозможно. Требуется принципиально иной подход к конструктивно-технологическим решениям при проектировании тепличных комплексов для сибирских условий, разработка новых методов и приемов снижения энергопотерь как в конструктивном устройстве самих теплиц, так и в системах их обогрева и технологического сопровождения.
Цель данной работы - обосновать возможность создания тепличных комплексов облегченного типа для круглогодового производства овощей в условиях Сибири, обеспечивающих снижение энерго- и ресурсопотребления теплиц.
Научная задача состоит в обосновании технико-технологических решений по конструкции теплиц и их оборудованию, обеспечивающих снижение затрат на строительство, теплопотерь и решение вопросов совершенствования существующих и обоснования новых технологий, обеспечивающих снижение ресурсопотребления.
Она решалась в рамках композиционного синтеза полученных в процессе исследования и оцененных по специальной методике технологических и технических решений в конкретные предварительные проектные предложения по их применению[1-3].
На стадии предварительного проектирования синтезировались основные принципиальные решения, определяющие концепцию технического объекта.
Наличие предварительных проектных решений готовит почву для начала работ над техническим проектом изделия, показывает возможность его реализации. Предварительные проектные решения не определяют конкретные параметры для формирования технического проекта изделия и конструкторской документации, а дают обобщенный, возможный образ будущих конструкций или технологий.
Общая методология композиционного синтеза представлена на рис. 1.
Декомпозиция системы, требующей
1 2 3 1 4 5 6
2 ) Анализ элементов системы по
критерию приоритетности
Технологические и технические решения, улучшающие элементы системы
б 1 в г
Трансформация элементов декомпозируемой системы, структурный и параметрический синтез новой системы
Дополнительные условия функционирования системы
5
Синтез предварительных проектных предложений по конструкции базовых элементов системы
Рис. 1. Методология композиционного синтеза
Проведенные информационно-аналитические исследования позволили провести декомпозицию системы и представить ее в виде многоуровневого дерева элементов. Многоуровневое решение для декомпозиции системы позволило более детально провести анализ элементов каждого уровня. При этом анализ элементов системы по критерию приоритетности определил наиболее важные направления развития элементов системы с точки зрения снижения ресурсо- и энергопотребления, а информационно-аналитические исследования в рамках отобранных элементов системы позволили определить технологические и технические решения, позволяющие их улучшить.
Для проведения анализа были выбраны как функциональные факторы, определяющие уровень эффективного функционирования системы, так и системообразующие факторы, определяющие состояние основных параметров теплицы или ее систем. Основным общим свойством отбираемых функциональных и системообразующих факторов является их взаимная зависимость.
Проведенные информационно-аналитические исследования функциональных и системообразующих факторов позволили выявить основные направления их улучшения и обеспечивающие их технические решения.
Анализ технических решений, рекомендуемых к использованию при разработке проекта опытной теплицы для условий Сибири, показал, что в результате их применения можно получить снижение металлоемкости конструкции теплицы и снижения теплопотерь, получить прибавку урожайности в зимний период от улучшения освещенности растений в теплице.
Эффективность принятых технологических и технических решений и комплексная оценка снижения ресурсо- и энергопотребления приведены в табл. 1-2.
Таблица 1
Эффективность принятых технологических и технических решений
Предложение Техническое решение Эффективность
Малообъемная, или пленочная, технология производства Независимый технологический модуль Снижение нагрузки на конструкцию каркаса теплицы на 16 кг/м2
Радиальная форма кровли теплицы Центральная часть кровли радиальной формы Увеличение урожайности овощей на 4%
Боковые многостворчатые вентиляционные фрамуги Жалюзийные боковые вентиляционные фрамуги на боковых частях кровли Обеспечение производства овощей в летний период
Материал покрытия -сотовый поликарбонат Независимые от параметров технологического модуля параметры расстановки арок и обрешетки Снижение теплопотерь на 41,8%. Снижение нагрузки на конструкцию на 8 кг/м2
Удаление снегового покрова с помощью вибровоздействия на материал покрытия кровли теплицы Вибрационные или импульсные устройства, устанавливаемые на внутренней стороне покрытия теплицы Предотвращение чрезмерного накопления снега на кровле. Снижение нагрузки на конструкцию до 25 кг/м2
Таблица 2
Комплексная оценка снижения ресурсо- и энергопотребления
№ п/п Показатель Величина
1 Снижение нагрузки на конструкцию без использования вибрационных устройств снегоудаления 24 кг/м2
2 Снижение нагрузки на конструкцию с использованием вибрационных устройств снегоудаления 49 кг/м2
3 Снижение металлоемкости конструкции теплицы по п.1 3,45 кг/м2
4 Снижение металлоемкости конструкции теплицы по п. 2 7,0 кг/м2
5 Относительное снижение металлоемкости конструкции теплицы по сравнению с проектом 810-95 По п. 3 і 26% По п. 4 і 53%
6 Относительное снижение металлоемкости конструкции теплицы по сравнению с проектом 810-24 По п. 3 і 16% По п. 4 і 33%
7 Снижение теплопотерь 41,8%
8 Снижение потребления топлива на обогрев 1 м2 (по DIN 4701 за месяц при средней температуре 250С): мазут, л газ, м3 48.0 53.0
На основе разработанной (рис. 2) схемы формирования тепличных комплексов облегченного типа проведены работы по предпроектному проектированию ангарной теплицы (рис. 3) для круглогодового производства овощей в условиях Сибири.
О.
Л
2
3
5^ О
х !
© ¥
2 •“ О IX їй § £
и
9
I
О
г
О К Й
&э зЕ ЕІ о я г? й§&
И* § -5 ш і
Р
ЗІ х с± х О Го °£-_0 ю
тип теплицы- ангарный
*
технологические и технические решения по конструкции теплицы
материал покрытия теплиць - сотовый поликарбонат
метод установки покрытия кровли теплицы -мягкое тросовое крепление
система естественной вентиляции -боковые многостворчатые фрамуги
система снегоудаления -установка вибрационных устройств на покрытии теплиц
Предпроектное проектирование
Окжа ангарных теплиц площадью до 1 га.
Общастроггшъныа требования при строгальста мымостаптщ
I
ничвскив решения по системам обогрева
система шатрового и почвенного обогрева
воздушный обогрев шатра теплиц с использованием плоских распределительных пленочных рукавов.
почвенный обогрев по воздуш ным каналам.
Рис. 3. Сибирская теплица конструкции СибИМЭ
Фрагмент формирования тепличных комплексов облегченного типа на основе предложенной конструкции теплицы приведен на рис. 4. При проектировании соединительного коридора необходима унификация применяемых элементов конструкции с конструкцией ангарной теплицы.
Рис. 4. Фрагмент исполнения тепличного блока из ангарных теплиц
Условия продолжительной и снежной сибирской зимы накладывают некоторые ограничения на способы формирования тепличных блоков: одностороннее расположение соединяемых ангарных теплиц и односкатная кровля соединительного коридора.
Выполнение данных условий позволяет ограничить накопление снега между теплицами путем их ориентации по направлению розы господствующих ветров. Основная масса снега в данном случае накапливается с подветренной стороны соединительного коридора и может быть удалена с помощь обычной снегоуборочной техники.
Частичная апробация предлагаемых технических и технологических решений проведена на базе комплекса ЗАО «Приобское» Новосибирской области (рис. 5), построенного на основе проектных предложений, разработанных инженерно-технологическим центром овощеводства «ИНТОС» совместно с Сибирским НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства.
Рис. 5. Рассадно-овощной комплекс ЗАО «Приобское»
На основании проведенного анализа и комплексной оценки эффективности рекомендуемых технических и технологических решений проведена формализация основных требований, определяющих понятие тепличных комплексов облегченного типа:
- низкий уровень капитальных затрат на системы обогрева;
- минимальная площадь самостоятельного модуля до 700 м2 ;
- возможность консервации комплекса или отдельных теплиц с отключением систем обогрева в зимний период;
- возможность использовать различные технологии производства овощей;
- наличие систем защиты от накопления снега в период зимней консервации;
- наличие систем естественной вентиляции, обеспечивающих необходимые условия производства овощей в летнее время;
- снижение удельной металлоемкости комплекса не менее чем на 15 кг/м2;
- снижение теплопотерь не менее чем на 25%.
Поэтому тепличные комплексы облегченного типа можно рассматривать как производственные структуры, выполненные в виде отдельно стоящих ангарных теплиц с возможностью наращивания их количества до образования тепличных комбинатов экономически целесообразных размеров для условий конкретного хозяйства и оборудованных экономными системами воздушного обогрева, не требующими строительства специализированных отопительных котельных. Конструкция теплиц выполнена с применением технологического модуля и облегченным навесным ограждением с использованием сотового поликарбоната и устройств, предотвращающих излишнее накопление снега на кровле теплицы. Теплицы оборудованы эффективной системой естественной вентиляции с использованием боковых многостворчатых фрамуг.
Назначение таких комплексов - производство рассады для открытого грунта и круглогодовое производство овощей закрытого грунта в хозяйствах Сибири.
Литература
1. Божко А.Н., Толпаров А.Ч. Структурный синтез на элементах с ограниченной сочетаемостью ЬНр://шт.1есЬпо.е^.ги:16001/с1Ь/т8д/13845.1'|1т1.
2. Пролетарский А.В. Системный синтез интеллектуальных систем управления космических аппаратов и комплексов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.
3. Левин М.Ш. Комбинаторное проектирование систем. http://www.reklama.ru/cgi-bin/href/o8p70793479.
УДК 621.365:621.38 Л.А. Астраханцев, В.А. Тихомиров, И.А. Тихомиров
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ,
УПРАВЛЯЕМОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
В статье приведены сравнительные результаты моделирования в MATLAB одноразных электротермических установок, управляемых полупроводниковым преобразователем напряжения и полупроводниковым преобразователем входного электрического сопротивления. Результаты исследований представляют интерес для разработчиков преобразовательной техники, так как предлагаемый полупроводниковый преобразователь входного электрического сопротивления позволяет сэкономить до 40% электрической энергии от общего электропотребления нагревательных установок.
Ключевые слова: полупроводниковый преобразователь, электрическое сопротивление, технологическая установка, коэффициент мощности.
L.A. Astrakhantsev, V.A. Tikhomirov, I.A. Tikhomirov RESEARCH OF THE ELECTRO-HEATING INSTALLATION OPERATED BY THE SEMI-CONDUCTOR CONVERTERS
The comparative results of modeling in MATLAB of the one-different electro-thermal installations operated by the semi-conductor converter of pressure and the semi-conductor converter of entrance electric resistance are given in the article. The research results are of interest for the converting equipment designers as the offered semiconductor converter of entrance electric resistance allows to save up to 40 % of electric energy from the general power consumption of heating installations.
Key words: semi-conductor converter, electric resistance, technological installation, power factor.
Развитие сельскохозяйственного производства неразрывно связано с развитием теплоэнергетики. Для теплоснабжения животноводческих и других рассредоточенных объектов сельского хозяйства используют мелкие и неэкономичные огневые котельные, работающие на дизельном топливе, каменном и буром угле. Опыт эксплуатации огневых котельных показывает, что они не обеспечивают оптимальные параметры микроклимата в животноводстве [1]. Учитывая, что транспортирование и сжигание твердого топлива в мелких котельных неэкономично, электрическую энергию следует рассматривать как один из основных энергоносителей.
Электротеплоснабжением производственных и бытовых помещений с тепловой нагрузкой до 800 кВт обеспечивается повышение производительности труда в 1,5-2 раза, снижаются энергозатраты на 20-30 % [2], уменьшаются общие приведенные затраты на теплоснабжение объектов различного назначения в целом на 10-20 % [3]. Плавное управление мощностью электронагревательных установок позволяет снизить расход электроэнергии непосредственно на технологические процессы, но из-за ухудшения энергетических показателей электроустановок с полупроводниковыми преобразователями в режимах управления электрические
